Tỉ trọng của chất kết tinh phụ thuộc vào thành phần hoỏ học và cấu trỳc tinh thể, trong
đú đặc biệt quan trọng là trọng lượng nguyờn tử, sau đú là hoỏ trị và kớch thước ion của nguyờn tố hoỏ học tham gia vào thành phần. Vụ vàn vớ dụ trong thế giới khoỏng vật thể
hiện mối quan hệ trờn: cỏc khoỏng vật tạo đỏ sẫm màu (khoỏng vật femic) chứa nhiều sắt, magnesi thường cú tỉ trọng lớn hơn cỏc khoỏng vật sỏng màu (khoỏng vật salic) giàu nhụm, silic, kim loại kiềm. Sự dao động thành phần hoỏ học của một khoỏng vật (sphalerit, wolframit, v.v…) hay một nhúm (với cựng chung loại cấu trỳc) khoỏng vật (olivin, granat, v.v..) dẫn đến sự biến đổi tỉ trọng (xem bảng 5.23) cũng như hàng loạt cỏc tớnh chất vật lớ khỏc.
Bảng 5.23.
Sự phụ thuộc tỉ trọng vào thành phần hoỏ học của chất kết tinh
Nhúm khoỏng vật Khoỏng vật Cụng thức hoỏ học
Tỉ trọng
Olivin Forsterit Mg2SiO4 3, 22
Fayalit Fe2SiO4 4, 40
Granat Pyrop Mg3Al2Si3O12 3, 58
Almandin Fe3 Al2Si3O12 4,32
Plagiocla Albit NaAlSi3O8 2,62
Anorthit Ca Al2Si2O8 2,76
Spinel Spinel MgAl2O4 3,55
Magnetit FeFe2O4 5.20
Chromit FeCr2O4 5,09
Tỉ trọng chất rắn cũng phụ thuộc vào mức độ xếp chặt cỏc nguyờn tử, tức là phụ thuộc vào loại cấu trỳc, nhỡn chung tỉ trọng giảm từ cấu trỳc phối trớ đến cấu trỳc khung. Cú rất
nhiều vớ dụ về sự phụ thuộc của tỉ trọng vào sự xắp xếp nguyờn tử, ion; tuy nhiờn, những vớ dụ điển hỡnh và rừ nột nhất vẫn là cỏc biến thểđa hỡnh (xem bảng 5.2). Trong đú cú cỏc biến thể của carbon như kim cương và graphit. Cỏc nguyờn tử carbon cú cỏch xắp xếp khỏc nhau trong mạng tinh thể của hai khoỏng vật trờn (xem hỡnh 5.14,b và c). Kim cương cú cấu trỳc phối trớ chặt xớt, mỗi nguyờn tử carbon cú 4 nguyờn tử khỏc bao quanh, khoảng cỏch giữa cỏc nguyờn tử là như nhau và đều bằng 1,54Å. Trong khi đú, graphit lại cú cấu trỳc lớp với cỏc nguyờn tử carbon xếp khớt nhau trong từng lớp, mỗi nguyờn tử tiếp xỳc với 3 nguyờn tử khỏc, khoảng cỏch giữa hai nguyờn tử liền kề là 1,42Å. Tuy nhiờn, giữa cỏc lớp lại cú một khoảng rộng là 3,40Å. Điều này dẫn đến sự chờnh lệch lớn giữa tỉ trọng của kim cương (3,52) và graphit (2,23).
Tương tự, cỏc biến thểđa hỡnh của oxit silic cũng cú tỉ trọng khỏc nhau do sự xắp xếp cỏc nguyờn tử oxy và silic khỏc nhau, đặc biệt, oxit silic vụ định hỡnh cú tỉ trọng nhỏ nhất và dao động nhiều nhất do sự phõn bố lộn xộn, khụng chặt của cỏc nguyờn tử oxy và silic.
Đặc biệt, với số phối trớ sỏu của silic đối với oxy, stishovit cú tỉ trọng nổi trội so với cỏc biến thểđa hỡnh khỏc đều cú số phối trớ bốn: 4,3 so với 2,20 của tridymit và cristobalit, 2,53 và 2,65 của thạch anh.
Một vớ dụ khỏc cũng cho kết quả tương tự, đú là hai biến thể của carbonat calci: calcit và aragonit lần lượt thuộc cỏc hệ ba phương và trực thoi (xem mục 6.12 và hỡnh 4.18). Cú thể nhận thấy rằng trong cả hai cấu trỳc calcit và aragonit mỗi nhúm CO3đều được bao quanh bởi 6 nguyờn tử Ca, tuy nhiờn mối quan hệ phõn bố giữa Ca và O thỡ khỏc nhau. Trong calcit (hỡnh 5.24,a), mỗi nguyờn tử oxy của nhúm CO3 ràng buộc với 2 nguyờn tử
Ca, và nhúm CO3 này nằm ở chớnh giữa bộ ba nguyờn tử Ca trờn và dưới trong ụ mạng cơ
sở mặt thoi.
Trong ụ mạng cơ sở của aragonit (hỡnh.5.24,b) mỗi nguyờn tử oxy nằm giữa 3 nguyờn tử calci, hai nhúm CO3 liờn hệ với nhau qua tõm đối xứng sẽ lần lượt nằm gần với bộ ba nguyờn tử Ca trờn và dưới. Với sự xắp xếp cỏc nguyờn tử như trờn, cấu trỳc của aragonit xếp chặt hơn calcit. ễ mạng cơ sở sỏu phương chứa 6 đơn vị cụng thức CaCO3 của calcit cú cỏc thụng số a = 4,9908Å; c = 17,05951Å; tương ứng, thể tớch ụ mạng cơ sở bằng 367,8743Å3; 2 ụ mạng cơ sở chứa 12 đơn vị cụng thức CaCO3 tương ứng với thể tớch 735,7486Å3. Trong khi ụ mạng cơ sở trực thoi chứa 4 đvct CaCO3 của aragonit cú cỏc thụng số a = 7,968Å; b = 5,741Å; c = 4,959Å. Tương ứng, thể tớch ụ mạng cơ sở bằng 226,8459Å3; 3 ụ mạng cơ sở chứa 12 phõn tử CaCO3 tương ứng với thể tớch 680,5378Å3.
Điều này dẫn đến kết quả trọng lượng riờng của aragonit (2,93) lớn hơn của calcit (2,71) (xem bảng 5.24). Trọng lượng riờng của cỏc biến thểđa hỡnh CaCO3 cú thể tớnh theo cụng thức: ρ = M/V, với V là thể tớch của ụ mạng cơ sở và khối lượng của nú M = Z(f/L), trong đú Z là số đơn vị cụng thức trong ụ mạng, f – mol của CaCO3 bằng 100,09 g (nguyờn tử lượng của Ca là 40,08, C – 12,01, O – 16,00), L – số Avogadro (số đơn vị cụng thức chứa trong 1 mol).
Bảng 5.24.
Trọng lượng riờng của cỏc biến thểđa hỡnh CaCO3
Biến thể Z M, g V, cm3
ρ
Calcit 6 600,54 367,8743 ì 10–24 2,710
Trong số khoỏng vật silicat, cú thể thấy một xu hướng rừ ràng là cấu trỳc đảo cú tỉ
trọng lớn hơn silicat cú cấu trỳc mạch, silicat mạch lại cú tỉ trọng lớn hơn silicat lớp, silicat và alumosilicat khung. Tỉ trọng thấp nhất là của khoỏng vật zeolit; cấu trỳc khung rỗng của chỳng cú cỏc khoang rộng lớn nối với nhau bằng cỏc kờnh dài.
Trong cỏc khoỏng vật alumosilicat, cấu trỳc khung phổ biến nhất là cỏc khoỏng vật nhúm feldspat, feldspathoid và zeolit. Chỳng cú chung đặc điểm cấu trỳc cơ bản là khung alumosilicat được cấu thành từ cỏc tứ diện (Si,Al)O4, mỗi đỉnh oxy chung cho hai tứ diện.
Điện tớch õm của mạng được cõn bằng bởi cỏc cation, chủ yếu là Ca, Na, K, nằm trong cỏc khoang trống của mạng. Cấu trỳc của feldspat chặt nhất, trong đú cỏc cation (Na, Ca, K) nằm trong cỏc khoang tương đối nhỏ, được bao kớn bởi cỏc oxy tạo khung (xem cỏc hỡnh 6.29 và 6.30). Cỏc cation gắn chặt với khung đến mức chỳng khụng thể di chuyển dễ dàng nếu như cỏc mối liờn kết của khung khụng bị giỏn đoạn. Sự thay thế Na hoặc K bằng Ca bắt buộc kộo theo sự thay đổi tỉ số Si/Al.
Cấu trỳc của feldspathoid tương đối mở hơn, cỏc ion (Na, Ca, K, trong một số trường hợp là cỏc anion xỏc định) thường khụng chiếm hết cỏc khoang trống lớn thụng nhau. Vỡ thế, feldspathoid cú cỏc kờnh, theo đú cỏc ion cú thể ra vào, đụi khi cỏc phõn tử nhỏ cú thể đi qua mà khụng phỏ vỡ khung. Cấu trỳc khung của zeolit giống với cấu trỳc của feldspathoid, nhưng đa số cũn mở hơn vỡ chứa cỏc khoang, kờnh kớch thước lớn. Cỏc vũng của khung thường cấu tạo từ 4 đến 6, 8, 10, 12 tứ diện (hỡnh 5.25 và 5.26). Cỏc kờnh cú chiều rộng từ 2,8 đến 9Å (ở feldspathoid khoảng 2,2Å). Do đú, tỉ trọng của feldspat, feldspathoid, zeolit giảm dần từ 2,6 ữ 2,7 (feldspat) sang 2,3 ữ 2,5 (feldspathoid) đến 2 ữ
2,3 (zeolit).
Hỡnh 5.25.
Vũng 12 tứ diện SiO4 trong cấu trỳc khung của mordenit
Hỡnh 5.26.
Sơ đồ cấu trỳc của chabasit với cỏc khoang trống lớn thụng nhau
Cỏc nỳt đen biểu diễn nguyờn tử silic, cỏc nguyờn tử oxy khụng được thể hiện